GSM-R系统弱场强区的解决方案探讨

【摘要】 针对GSM-R系统的使用环境和场强要求，提出采用漏缆、光纤直放站、无线直放站的方案来解决弱场强区问题，并结合一工程实例进行具体说明。

【关键词】 GSM-R 电磁场强 覆盖 方案

GSM-R（GSM for Railway）是在GSM蜂窝系统上增加铁路调度通信功能及适应高速环境下使用的要素，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。随着中国铁路跨越式发展，新一代中国铁路移动通信GSM-R系统将在中国铁路上广泛应用并在运输安全生产中发挥重要作用，同时，对场强覆盖的技术支撑也提出更高的要求。因此，必须解决好GSM-R系统的弱场强区问题。

一 GSM-R网络概况

1．中国GSM-R网络规划

GSM-R是一个全新的铁路无线通信系统，已在欧洲铁路得到较好的应用，在中国也将广泛应用。目前，我国的青藏、大秦、胶济铁路线已相继开通使用。近期将在六大繁忙干线重要枢纽地区同步建设，2008-2020年中长期建设规划中，将在既有线与调度集中（CTC）同步，与铁路中长期路网新线同步建设，并逐步扩大无线覆盖范围，建成中国铁路GSM-R网络。

2．网络特点

典型的GSM-R数字移动通信网是由沿铁路线或铁路车站范围内若干个蜂窝小区组成的。根据通信容量、用户密度，每一个小区由一个或多个基本通信站构成。一个通信基站控制器(BSC)负责管理与其相连的若干个蜂窝小区，基站控制器与移动交换中心MSC相连，交换中心提供内部通信系统的连接和与其他网络互联的接口。

GSM-R系统是铁路运输指挥专用调度系统，其网络和业务具有调度通信网络所要求的封闭性、安全性、可靠性和实时性的特点。在中国，它与外部通信网进行有限的互连互通，实现铁路运输指挥业务的需要，与铁路专用网、铁路各种信息网互连互通，但与公众通信网的互连互通受到限制。

3．场强覆盖方式

一般地说，GSM-R网络的场强覆盖是在沿铁路轨道方向安装定向天线，形成沿路轨大椭圆形小区，但在话务量较大而速度要求较低的编组站内采用扇形小区覆盖，而在人口密度不高的低速路段和轨道交织处一般是无CTCS（Chinese Train Control System）系统的农村地区采用全向小区覆盖。铁路带状的特点，决定了铁路场强覆盖采用线状覆盖方式。

4．场强覆盖指标

不同的线路情况及等级要求，无线设计指标有所不同。列控系统对GSM-R网络有很高的QoS(Quality of Service)需求，在设计中应考虑一定的覆盖余量。对于基站的覆盖要求，在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，GSM-R系统协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各2Km；在其他地域协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各6Km。根据《GSM-R系统网络规划（讨论稿）》，无线设计覆盖指标见表1。

二 场强覆盖问题

1．传播损耗

电磁波在空中传播时，信号的强度会受到各种因素的影响而产生衰减。如物理地形、建筑物、植被、天气情况及人为干扰等都会对电磁波产生影响，从而产生传播损耗、反射损耗、绕射损耗等，使信号的能量发生衰减，出现盲区、弱场强区。

2．弱场强区

场强覆盖受地形及建筑物影响最为明显。铁路是一个狭长的带状区域，其沿途经过的地方一般地形复杂、自然条件差，在铁路沿线的隧道、路堑、高大建筑物等区域往往容易形成弱场强区。存在的主要场强覆盖问题有： 铁路经过山区，由于受群山阻隔，出现盲区或弱场区，不能保证场强连续覆盖；铁路穿越隧道，由于无线信号受山体遮挡及隧道中传播衰减，出现盲区；路堑、沟堑、树林的屏蔽，形成弱场区或盲区；城区的高大建筑物的遮挡，形成弱场区或盲区。

三 弱场区的解决方案

1.基本思路

解决弱场强问题的办法虽可增加新的基站，但新建基站投资大，且受地形限制。目前对弱场问题的解决方案还有：安装蜂窝直放站、塔顶放大器、微蜂窝放大器、远端天线系统及高增益多波束定向天线等，但对于铁路线路，采用直放站是一种经济的选择。直放站按传输方式可分为无线直放站和有线直放站（光纤直放站）。

根据GSM-R应用环境的特点，一般地，对于山体阻挡及路堑等弱场强区，可采用增加光纤直放站的解决方案；对于隧道弱场强区，可采用增加光纤直放站、漏缆+天线的解决方案；对于特大桥隧，可采用光纤直放站及漏缆+天线的组合解决方案；对开阔地域，既可采用基站，也可采用无线直放站或光纤直放站的解决方案。目前，对弱场处理的方案较多，既可采用单独方案解决，也可采用组合方案解决；既要考虑QoS因素，也要考虑方案的经济性；既要考虑方案的可靠性，也要考虑日常维护管理的方便性。总之，弱场处理要结合实际，在规划、勘测及工程施工经验基础上，不断总结与修正，找出适合铁路线路特点的行之有效的解决方案。

2. 实现机理

(1) 漏泄电缆。漏泄电缆是一种开放型传输线，既可发射信号，也可接收信号。其收发机理是通过减小横向屏蔽，使电磁能量可以部分地从电缆内穿透到电缆外，同时，电缆外的电磁能量也可以感应到电缆内，从而有效地解决隧道、高楼大厦等场强难以覆盖的环境，使固定点与移动点之间随时进行通信联系。

(2) 光纤直放站。光纤直放站的施主天线通过耦合得到基站发射的无线电信号，电信号进入光近端机，经电光转换为光信号，由光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入RF（Radio Frequency）单元进行放大，由发射天线向目标区域覆盖。上行原理与下行相同，移动台发射的信号经光远端接收天线至光近端机，最后传送到基站。原理框图如图1所示。

(3) 无线直放站。无线直放站由基站发出的下行信号经前向天线接收，进入直放站近端，经放大后，由重发天线发射到直放站远端。直放站远端接收到近端信号后，对信号进行放大处理后，将信号频点移到基站发射的频点，最后通过功率放大器放大后通过重发天线对目标区进行覆盖。用户手机所发的上行信号，经重发天线接收，信号放大后从直放站远端发射给直放站近端，直放站近端将信号处理改为原来的频点后，通过施主天线将信号发射到基站。

3．方案比较

不同的方案适用不同环境，也有不同的优越性与局限性。根据实现机理，并借鉴国内外经验，对弱场解决方案进行比较，见表2。

4. 工程应用

以正在实施的合宁线（合肥至南京）工程为例，进一步探讨弱场强区的解决方案。

(1)无线设计覆盖指标

按照铁道部无线设计覆盖指标规定，合宁线工程场强覆盖指标按机车顶部95%概率、-95dBm考虑。余量10dB，95%概率衰落储备取14dB，则按各种模型预测的场强中值按-71dBm考虑。

(2) 特殊地段

根据合宁铁路线路情况,弱场强区将分布在这些特殊地段: 采用桥梁方式的长江泄洪段区位，桥长约13km；亭子山1号和亭子山2号两座隧道；南京长江大桥。

(3) 估算模型

① 链路平衡预算

下行信号链路：

Pinm+Mf=Poutb-Lcb-Lfb+Gab-LP+Gam-Pmn-Lbody

式中，Pinm为移动台最低接受电平；Mf为衰落余量；Poutb为平衡时的基站输出功率；Lfb为馈线加跳线损耗；Lcb为合路器损耗；LP为路径损耗；Gab为基站天线增益；Gam为移动台天线增益；Pmn为移动台侧噪声恶化量；Lbody为人体损耗。

上行信号链路：

Pbr+Mf=Poutm+ Gam+Gab+ Gdb -Lbody-Lp -Lfb -Pbn

式中，Pbr为基站最低接受电平；Poutm为移动台输出功率；Gdb为分集天线增益；Pbn为基站侧噪声恶化量。

②Okumura-Hata模型。在800MHz～1000MHz频段可通过Okumura-Hata传播模型计算传播损耗。基本传输损耗表示式如下：

Lp(市区)=69.55+26.16f―13.82 hb―a(hm)+(44.9―6.55hb)d

式中，Lp(市区)为路径损耗;f为工作频率;hb为天线挂高;hm为移动台天线高度；d为移动台与直放站之间的距离;a(hm)为移动台天线高度因子，对于不同环境下，有不同的计算公式，即不同的取值。

在中小城市：

a(hm)=(1.1f―0.7)hm―(1.56f―0.8)

在大城市：

a(hm)=3.2 (11.75hm)2―4.97 ,当f≥300MHz

对郊区：

Lps=Lp(市区) ―2［(f/28)］2―5.4

对开阔地：

Lpq=Lp(市区) ―4.78(f)2+18.33 f―40.94

利用这两个估算模型，可在合宁工程的场强覆盖方案中测算出路径损耗和覆盖距离，为工程的设计及施工提供理论依据。

(4) 覆盖方案

①平原地段覆盖方案

合宁线工程范围内基本为平原地形，较为平坦。平原地段主要采用基站进行覆盖，天线安装在铁塔上以提高覆盖范围。根据链路平衡估算模型，可进行链路平衡预算，测算出路径损耗，见表3。

根据上下链路平衡计算，本线基站发射功率设为40W。根据Okumura-Hata模型，可测算出场强覆盖范围，场强覆盖预测见表4。

考虑到施工、抗灾以及景观等因素，合宁线天线挂高按30m考虑。天线挂高为相对于轨面的高度，每个基站点实际铁塔高度还需根据各点地面与轨面之间的高度差进行相应调整。

② 泄洪区段覆盖方案

长江泄洪区位于全椒至永宁镇区间，合宁线采用桥梁方式通过泄洪区段，桥长约13km。由于泄洪区内不允许修建建筑物，应采用在桥梁两端设置基站和较高铁塔的方式对此区段进行覆盖。塔高设为50m，根据Okumura-Hata模型计算，基站覆盖距离可达到8km，满足泄洪区段覆盖电平和重叠切换区要求。

③隧道区段覆盖方案

合宁线工程有亭子山1号和亭子山2号两座隧道，分别长370m和1635m，相距108m。可采用光纤直放站+漏泄电缆的方案进行覆盖。光纤直放站采用单套设置的方式，漏泄同轴电缆采用在铁路一侧单条敷设的方式。隧道内LCX架设在隧道壁上，隧道间路基地段，LCX采用电杆方式架设在路肩上。

LCX覆盖预算见表5，表中计算公式为：

Pr = PoD *Lt/100mLcLpLa

计算可得在33dBm（2W）输出功率的情况下，满足最小-86dBm的接收电平（95%的通信概率），1-1/4"LCX可传播约0.71km，1-5/8" LCX可传播约1.21km。LCX长度超过时要加中继器。

④ 南京长江大桥覆盖方案

既有南京长江大桥为公铁两用桥，铁路位于公路下方，并处于钢结构包围中，桥上接收信号困难。可在桥上设置光纤直放站和LCX对大桥铁路层进行覆盖，光纤直放站、天线、LCX挂设在钢结构上，光纤直放站采用室外型。

工程实施后，对经实地场强测试指标不合格的弱场区要进行补强，优化GSM-R网络覆盖，满足设计指标，确保服务质量。

五 结束语

实现场强无缝连续覆盖是GSM-R提供高稳定、高可靠的QoS的前提，它关系到铁路运输生产的安全，从而也关系到人民的生命与财产安全。铁路是一个狭长的带状区域，其沿途经过的地方一般地形复杂、自然条件差,场强覆盖实施难度大，加上我国的GSM-R系统建设刚刚起步,建设经验相对不足。因此，弱场强区问题是一个需我们不断去探讨并加以解决的重要课题。

参考文献

〔1〕 朱惠忠，张亚平等.GSM-R通信技术与应用.北京:中国铁道出版社,2006

〔2〕 苏华鸿，孙孺石等.射频工程.北京:人民邮电出版社,2006

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。